A kolloidkémiától a nanokémiáig
A kolloidkémia oktatásának rövid története
Szántó Ferenc az 1951. év őszén kapott megbízást a kolloidkémia oktatá- sára Szegeden. Ebben az évben indította el az oktatást a vegyész- és kémia tanár szakos, majd 1964-től biológus, 1968-tól pedig a gyógyszerészhall- gatók számára is. Vezetésével 1953-ban létrejött az Általános és Fizikai Kémiai Tanszékhez tartozó Kolloidkémiai Laboratórium, majd 1966-ban 6 fő oktatóval a JATE TTK Kolloidkémiai Tanszéke, melynek 1989-ben bekövetkezett haláláig vezetője volt. A tanszék vezetését ekkor tanítvá- nya, Dékány Imre vette át. 1993 és 1999 között érte el a tanszék a maxi- mális 7 fős oktatói létszámot, majd 2009-re fokozatosan 4 főre csökkent az oktatók száma. 2009 nyarán az önálló tanszék megszűnt, és Dékány Imre kezdeményezésére három kémiai tanszék (Fizikai Kémiai, Kolloid- kémia, Szilárdtest és Radiokémiai Tanszékek) integrálásával létrehozott Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék keretében működő kolloid- kémiai csoportokban folyik tovább az oktató és a kutatómunka. Az új – az oktatásban és kutatásban integrált – tanszék vezetésére Dékány Imre akadémikus kapott 2 évre megbízást. A kolloidkémia oktatása az 1980-as években már jól elhatárolt területekre tagolódott, úgy mint a Kolloidika alapkollégiumra, ill. a Határfelületek és diszperz rendszerek, Polimerek, Környezeti kolloidika főkollégiumokra. Lényeges feladata a tanszéknek a gyógyszerészhallgatók Kolloidika c. tárgyának oktatása, amely 1987- től angol nyelven is folyik. A tanszék kutatási témáinak szélesedésével folyamatosan bővült a speciálkollégiumok köre is. A kezdetektől fogva előadásra kerülő Agyagásványok, Diszperz rendszerek reológiája, illetve Agyag- és talajkémia mellett 1993-tól további kurzusok alakultak ki: Kör- nyezetvédelem kolloidkémiai alapjai, Agyagásványok és nanorészecskék, Micellás és folyadékkristályos rendszerek, Nanoszerkezetű anyagok. 2006- tól a BSc képzés megindulásával lényegesen átalakult az oktatás szer- kezete, a kötelező tárgyak köre nagyon leszűkült, a választhatóké kissé bővült, a laboratóriumi gyakorlatokat a tanszéki integráció miatt a fizikai kémiaival összevonták.
Kolloidkémiai alap és alkalmazott kutatások Szegeden: út a nanoszerkezetű anyagok kutatásának megalapozásához
A kutatások a Buzágh-iskola szellemiségét követték. Szántó Ferenc és Várkonyi Bernát állították elő az első hazai organofil bentonitot, amelyet később Dékány és Szántó professzorok az elegy- és oldat adszorpció termodinamikai össze- függéseinek elemzéséhez találták kiváló modelladszorbensnek. Ezzel meg- alapozták a szabályozott felületi energiájú (hidrofil/hidrofób) funkcionalizált felületek kutatási profilját, amely napjainkban a nanoszerkezetű anyagkuta- tások alapjait képezi. A módosított felületű rétegszilikátok szelektív folyadék- szorpciós és mikrokalorimetriás jellemzése, a 70-es évek közepétől a Budapesti Műszaki Egyetemen a hazai adszorpciós iskola megteremtőjével, Schay Géza akadémikussal és Nagy Lajos György professzorral szoros együttműködésben, majd német kutatókkal Münchenben és Kielben kooperációban történt.
Az agyagos kőzetek kolloidkémiai tulajdonságainak és alkalmazási terüle- teinek kutatásában elért eredmények is hazai együttműködésben jöttek létre.
Az olajbányászat, a lakk-, festék-, papír- és növényvédőszeriparral közös kuta- tómunka 34 szabadalmat eredményezett. A hetvenes években a tanszéken dolgoztak még Balázs János, Gildéné Farkas Mária, Patzkó Ágnes adjunktusok is. Témájuk elsősorban az agyagásványok kolloidkémiai tulajdonságainak jel- lemzése, ill. a kőolajipari emulziók alkalmazása különböző rétegkörülmények között. Az oxidfelületek jellemzése, az agyagásvány-huminanyagok kölcsön- hatásainak, valamint a talajok környezetkémiai tulajdonságainak kutatása (Tombácz Etelka) terén amerikai, német és japán együttműködésben. A 90-es években indult el a félvezető oxidok és nemesfém nanorészecskék kutatása Dékány professzor és Király Zoltán docens irányításával, angol és amerikai együttműködésben. 1992-től Dékány Imre csoportja amerikai kooperációban a félvezető fém-oxid nanorészecskék és agyagásvány kompozitjaik, elsősor- ban környezetszennyező anyagok bontását célzó fotokatalitikus kutatásokkal kezdett foglalkozni. A téma folytatása lehetővé tette az MTA Nanoszerkezetű Anyagok Kutatócsoport megalapítását, amely jelenleg nemzetközileg elismert eredményeket ért el. A tanszék vezetőjét 2001-ben levelező, majd 2007-ben az MTA rendes tagjává választották.
Az elmúlt évtizedben Király Zoltán az önként rendeződő amfifil mole- kulákkal, az utóbbi években pedig a ciklodextrint is tartalmazó rendszerek adszorpciós és kalorimetriás kutatásaival foglalkozott. Az utóbbi években Tombácz Etelka kutatásait a környezeti rendszerekről fokozatosan a főleg orvosbiológiai célra fejlesztendő mágneses folyadékokra irányítja román, szlo- vák és francia együttműködőkkel.
Szántó Ferenc alapító tagja az MTA Kolloidkémiai Munkabizottságának, 1985–1989 közötti években pedig elnöke volt. Ezt a tisztséget Dékány Imre 1991 és 2005 között, később pedig Tombácz Etelka töltötte be 2006–2012 között. A tanszék vezető oktatói nemzetközi szervezetekben (IUPAC Kol- loid- és Felületkémiai Bizottsága, Kémia és Környezet Divízió, IACIS, ECIS, IHSS, Német Kolloidkémiai Társaság) tagok, éveken át azok vezetőségének, elnökségének választott vagy delegált tagjai. A tanszéken folyó kutatások elismerését mutatja, hogy a tanszék oktatói (DI és TE) vezető szakmai folyó- iratok (Colloid and Polymer Science, Applied Clay Science, Colloids and Surfaces A.) szerkesztőségi bizottságainak tagjai. A tanszék vezetője Dékány Imre 6 éven át (2000–2006) az MTA Szervetlen és Fizikai Kémiai Bizottsá- gának elnöke, ill. 2000–2003 között az OTKA Kémia I. zsűrijének elnöke volt. Dékány Imre a tanszékvezető feladatok mellett 1993–1995 és 2003–2009 között az egyetem tudományos és nemzetközi kapcsolatok rektorhelyettesi tisztségét is betöltötte.
A kolloidkémia és a nanoszerkezetű anyagok kutatása az elmúlt 15 évben számos új tematikával bővült. Dékány Imre csoportja a napfény hatására számos félvezető fém-oxid (például: titán-dioxid, cink-oxid) fotooxidációs tulajdonságait tanulmányozta, mivel ezek a nanorészecskék fény segítségével felhasználhatók a környezetünkben lévő káros anyagok lebontására. Előnyös a tisztítási folyamatban az is, hogy a fotooxidációs lebontás során kizárólag a napfény energiáját használják. A fotooxidációs folyamatban a katalizátor is öntisztuló tulajdonsággal rendelkezik, ezért használata az eddigi kísérletek szerint tartósnak bizonyult.
A fotokatalizátor felhasználását, alkalmazását tekintve fontos, hogy a foto- katalitikus aktivitás látható fény hatására is jelentős legyen, ezáltal lényegesen nagyobb hatékonysággal lebonthatók vagy átalakíthatók a szerves szennye- ződések és fertőző anyagok. Ez utóbbi arra ösztönözte a szakembereket, hogy a TiO2 optikai tulajdonságait oly módon változtassák meg, hogy a látható fény hullámhossztartományában is mutatkozzon fényelnyelés. Ennek egyik módja a TiO2-részecskék módosítása fémes (például: Cu, Ag) nanorészecskék- kel. Léteznek már olyan ezüst vagy réz-oxid nanorészecskékkel módosított titán-dioxid fotokatalizátorok, amelyek a látható fény mellett is jelentős foto- katalitikus aktivitással bírnak. Így lehetővé vált olyan bevonatok készítése, amelyek hatékony öntisztuló felületek kifejlesztését tették lehetővé.
A fotokatalizátor rétegek öntisztító, illetve antimikrobiális tulajdonságai- nak kutatása kapcsán vizsgálták a General Electric Hungary Kft.-vel együtt- működve a polimerrel lámpatestre rögzített Ag-TiO2 fotokatalizátor réteg alkalmazását a levegő fertőtlenítésére is.
A kolloidika, ill. a nanotechnológia kialakulása és fejlődése szempontjából a makromolekulás rendszerek meghatározó szerepet játszottak, így a kezde- tektől fogva foglalkoztak polimerekkel, ill. makromolekulás rendszerekkel.
Az egyik orvosi vonatkozású projektünk kapcsán pl. olyan duzzadó hidrogél kopolimerek és kompozitok előállítását tűztük ki célul, melyek előnyösen alkalmazhatók a bőrgyógyászatban szövetek tágítására és ezáltal élő bőrnye- résre. Ugyanezen hidrofil, vízoldékony polimerek csoportjából kerültek ki azok a pH-érzékeny makromolekulák, melyek felhasználásával szabályozott hatóanyagleadó rendszereket dolgoztak ki a nőgyógyászati fertőzések keze- lésére. Ha a megfelelően megválasztott polimerekből a nanométeres nagy- ságrendbe eső részecskéket (ún. latexeket) alkalmaznak, akkor ezen polimer részecskék alkalmasak arra, hogy fotokatalizátor részecskéket rögzítsenek különböző felületeken. Végül, ha olyan kis energiájú (ún. fluor-szubsztituált) polimereket szintetizálunk, melyek mindamellett jó filmképző tulajdonságok- kal és érdes felülettel is rendelkeznek, akkor ezek felhasználásával a lótusz- levélhez hasonló tulajdonságokkal rendelkező ún. szuper hidrofób felületek állíthatók elő. Az ilyen felület tehát nem nedvesedik, nem jegesedik, nem korrodál, öntisztuló és antibakteriális tulajdonságokat mutat.
A kolloidanyag alkalmazási köre napjainkban egyre inkább szélesedik, ezek között számos biodiagnosztikai felhasználási módot fejlesztettek ki az elmúlt néhány évtizedben. Arany nanorészecskékkel kapcsolatos, orvosi felhasználást célzó fejlesztések alapvető része a részecskék és az élő szervezetben található sejtek közötti kölcsönhatások megértése, azok befolyásolása. Langmuir-mér- legben folyadék/levegő határfelületen kialakított egy molekula vastagságú lipid filmek kiválóan alkalmasak sejtmembránok modellezésére. Az általunk előállított arany nanorészecskék orvosbiológiai motivációjú tanulmányozásá- hoz lipid filmeket állítottunk elő Langmuir-mérlegben, és különböző mérési megvalósításban jellemeztük a részecskék kölcsönhatását a modell membrán felszínnel. Vizsgálatainkhoz vizes közegben szintetizált arany nanorészecskék felületét különböző, biológiailag aktív molekulákkal (aminosavak, kisebb peptidek) módosítottuk. Az eredményeink a részecskék méretének hatása mellett rámutattak a felületükre kapcsolt aminosavak és peptidmolekulák fontos szerepére is. Korábbi kísérletek során szilikarészecskék esetén már kimutatták, hogy megfelelően nagy térerősség mellett a részecskék felülethez közeli vegyértékelektronjai nagyon rövid időre képesek elhagyni a részecské- ket, amelynek következtében a nemesfém nanorészecskékhez hasonló, úgy- nevezett kvázi-plazmonikus viselkedést mutatnak.
Monodiszperz, arany és cink-oxid nanorészecskék plazmonikus viselkedésé- nek jellemzését attoszekundumos lézerforrás által keltett erős elektromágneses
terekben a Münchenben dolgozó német kutatócsoporttal (Max Plank Institute for Optic and Qantumelectronic, prof. Mathias Kling és prof. Ferenc Krausz) együttműködésben végeztük.
Aggregációs folyamat vagy a diszperzitási fok változása révén a nanoré- szecskék közötti átlagos távolság olyan mértékben csökkenhet, hogy lehetőség nyílik a plazmonikus terek „átlapolására”. Az említett jelenség(ek) a plaz- monikus spektrumban jól mérhető változást okoznak, így megvalósítható a nemesfém nanodiszperziók szenzorikai alkalmazása. A nagyfokú tudo- mányos érdeklődés elsősorban az említett nemesfém nanorészecskék orvos- diagnosztikában és rákterápiában való alkalmazása felé irányul. Néhány kuta- tócsoport már figyelemre méltó eredményt ért el biofunkcionalizált arany nanorészecskék felhasználásával a daganatos sejtek célzott jelölésében, illetve a fototermiás rákterápiás eljárás során. Mivel az egészséges és daganatos sej- tek eltérő fehérjeszerkezettel rendelkeznek, lehetőség nyílik olyan célirányo- san megtervezett nano-biokonjugátum előállítására, melyek szelektíven csak a daganatos sejtekhez képesek kapcsolódni. Mivel az arany nanorészecskék nagyobb hatásfokkal nyelik el a közeli infravörös színképtartományba eső sugarakat. A nanorészecskék felmelegedése következtében a daganatos sej- tek hőmérséklete is emelkedik, ezáltal lehetőség nyílik a daganat lokalizált és termikus úton történő megsemmisítésére. Amennyiben a szférikus arany nanorészecske helyett nanorudakat alkalmaznak, a felmelegedésen túl longi- tudinális rezgés is fellép, ami mechanikai úton is képes roncsolni a rákos sejte- ket. Ezen nemesfém nanorudak előállítása nagyobb kihívást jelent a szférikus részecskékhez képest. A 650–900 nm tartományban való gerjesztés különö- sen fontos, ugyanis a hemoglobin abszorpciós együtthatója e tartományban a legkisebb, így a testszövetek nem károsodnak lényegesen.
A nemesfém nanorészecskék gyógyászatban történő tényleges felhasználá- sának feltétele, hogy alaposan feltérképezzük és értelmezzük a nanorészecskék, illetve azok biofunkcionalizált származékainak kolloid stabilitását fiziológiás körülmények között. Kitüntetett cél a megfelelő összetételű vizes diszperziós közeg, a funkcionalizált aminosavak, peptidek és fehérjék kémiai szerke- zetének és koncentrációjának vizsgálata. Kiemelt figyelmet igényel annak vizsgálata is, hogy a nanorészecskék funkcionalizálásának hatására, különö- sen a biofunkcionalizált nanorészecskék között esetlegesen fellépő első- és másodrendű kölcsönhatások eredményeképpen, az egyedi plazmonikus tulaj- donságok milyen irányban változnak. Mindemellett a kísérleti rezonancia spektrumok elméleti úton történő közelítése további hasznos információt adhat a kialakuló kölcsönhatásokról. Ezen kutatási koncepciókra alapozva, nemzetközi szinten is számos kutatóintézet/kutatócsoport, köztük a Szegedi
Tudományegyetem ÁOK Orvosi Vegytani Intézetében lévő csoportunk is, alapkutatás szintjén foglalkozik többek között nemesfém nanorészecskék előállításával, szerkezetanalízisével, valamint ezen részecskék különböző biológiailag aktív molekulákkal (pl. L-cisztein, L-glutation, L-lizozim, BSA/
HSA, illetve gyógyszermolekulák, mint ibuprofen, dopamin, kinurénsav stb.) való kölcsönhatásának feltérképezésével. Raman és 1H-NMR technikák alkalmazásával sikeresen igazoltuk a nanofém-biomolekula közötti kovalens kötés(ek) kialakulását. Megállapítottuk, hogy a ciszteinnelmódosított arany és ezüst nanorészecskék között fellépő másodrendű kölcsönhatások kialakulása/
megszűnése jó összhangban van az aminosav protonálódási/deprotonálódási folyamataival. Elméleti számolásokkal közelítettük a kísérleti plazmon rezo- nancia spektrumokat, mely során a pH változásának hatására bekövetkező aggregációs folyamatok mértékére, a biofunkcionalizált nanorészecskék egy- mással való kapcsolódásának lehetőségére (pl. geometria) tettünk javaslatokat.
A nanokapszulák alkalmazása gyógyszermolekulák csomagolására igen széles körben vizsgált terület. Szabályozott és célzott hatóanyag-leadás meg- valósítása manapság mag-héj kompozitok használatával válik lehetségessé.
A gyógyszerhatóanyagok szállítására, illetve a megfelelő hatás eléréséhez kuta- tócsoportunkban számos nanokompozit előállításával és vizsgálatával fog- lalkoztunk. Különböző polimerekkel burkolva állítottunk elő szerves, illetve szervetlen alapú kompozitokat a paraméterek változtatásával. Szintéziseink nagy előnye, hogy szobahőmérsékleten, pusztán elektrosztatikus kölcsön- hatások révén felépíthetőek a mag-héj kompozitok. A mag-héj kompozitok másik típusában egy természetes alapú, szerves, biokompatibilis és biológiai- lag lebomló fehérjét, a bovine serum albumint (BSA) használtuk ibuprofen, valamint a terápiás alkalmazásokban rendkívül gyakran használt kinurénsav (KYNA) kapszulázására. A hatóanyag véragy-gáton történő átjuttatása jelenti a kutatás legnagyobb kihívását, amely számos paraméter együttes meglétével valósítható meg. Az általunk kifejlesztett módszer alapján egy olyan egyrétegű BSA-alapú, megfelelő koncentrációjú KYNA-t tartalmazó mag-héj kompo- zitot sikerült előállítanunk, amely az állatkísérletek szempontjából is pozitív eredményeket mutatott a jövőbeli alkalmazhatóság szempontjából.
A vékonyrétegek alkalmazása a gyakorlatban számos előny nyújt a tömb- fázisú anyagokhoz képest. Kisebb anyagmennyiség, nagyobb felület környe- zetvédelmi szempontból is kedvezőek, hiszen felhasználás után könnyebben eltávolíthatóak, újrahasznosíthatóak. Egy hordozón több módszerrel is létre- hozhatunk vékonyrétegeket, pl. terítéses, merítéses, porlasztásos technikával.
Ezek közül egyszerűen kivitelezhető, viszonylag homogén, reprodukálható és szinte tetszőleges vastagságú, anyagi minőségű rétegek kialakíthatóak
bemerítéses önrendeződő, (layer-by-layer, LbL) technikával. Az eltérő töltésű kolloidok lehetnek akár nanorészecskék, polielektrolitok, tenzidek, agyagás- ványok, így oldatokból, szolokból és szuszpenziókból is alkothatunk a későbbi felhasználás szempontjából kedvező anyagokat. Kutatócsoportunkban külön- böző alakú, méretű, töltéssűrűségű komponensekből építettünk vékonyréte- geket, melyeket pl. szenzorként alkalmaztunk gőzök érzékelésében.
A nanotechnológia és a miniatürizálás fejlődése az utóbbi évtizedekben egyre szélesebb teret nyit a különböző optikai elven működő szenzorok, bio- szenzorok fejlesztésének és alkalmazásának. Kutatócsoportunk is sok évre visszatekintő múlttal rendelkezik különböző típusú vékonyrétegeket, ún.
„chip”-eket alkalmazó szenzorok használatát, ill. fejlesztését illetően. Ennek három főbb csapásiránya az optikai hullámvezető (Optical Waveguide Light- mode Spectroscopy, OWLS) és felületi plazmon rezonancia (Surface Plasmon Resonance, SPR) készülékek alkalmazása, valamint egy reflektometriai elven működő szenzor (Reflectometric Interference Spectroscopy, RIfS) fejlesztése.
Előbbi kettő alkalmazása széles körben elterjedt az orvosi kémiai és gyógy- szeripari kutatásokban, elsősorban rendkívüli érzékenységük és minimá- lis anyagszükségletük miatt. Az optikai hullámvezető érzékelő felülete egy optikai rács mintázattal ellátott, néhány 10–100 nm vastagságú dielektrikum réteg, melyben a megfelelő szögben beeső polarizált monokromatikus fény becsatolódás után teljes visszaverődések által a rétegben terjed tovább (az optikai szállal azonos elv szerint). Kutatócsoportunk ezen készülékek hasz- nálatával sikeresen jellemezte számos aminosav (cisztein, glutation, hiszti- din stb.), fehérje (lizozim, szérum albuminok stb.) és polimer kölcsönhatását különböző félvezető, ill. nemesfém nanorészecskékkel. A fentebb említett harmadik módszerrel (RIfS) kapcsolatosan egy optikai mérési és számítási elvet dolgoztak ki, mely néhány száz nanométer vastagságú rendezett fél- vezető vékonyrétegről visszaverődő fény (reflexió) spektrumának analízisén alapszik. Az interferencia szélsőértékekkel modulált reflexió spektrum a felü- leti adszorpció következtében eltolódik a nagyobb hullámhosszak irányába.
Az eltolódás mértékéből számítással és kalibrációval meghatározható a fajla- gos adszorbeált mennyiség. A módszer előnye az OWLS és SPR technikákkal szemben, hogy nem igényel polarizált fényt, valamint költséges nagyműszeres technológiát az érzékelő felület kialakítása céljából.
